综合超前地质预报在秦岭隧洞中的应用

李治洪，宋健健

（陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710100）

0 前言

对于隧洞建设来说，在开挖前了解隧洞地质情况特别重要[1]。通过超前地质预报，能提早发现隧洞内存在的异常情况，预报隧洞掌子面前方不良地质的具体位置、围岩产状以及围岩结构的完整性与含水的可能性，为隧洞选择合理的开挖断面方式、支护设计参数和优化施工方案提供相应的依据，为防止隧洞突水、突泥、有毒有害气体等可能形成的安全事故提供及时有效的信息。超前地质预报对于安全施工、提高生产效率、缩短工程周期、节约项目投资等具有重要意义[2]。秦岭隧洞黄三段II 标主隧洞全长8552 m，隧洞地质条件复杂、裂隙水发育、断层带较多、围岩变化频繁，开展超前地质预报工作，及时有效地预报能应对可能出现的各种不良地质情况，对保证施工安全、质量和进度尤为重要。本文以秦岭隧洞黄三段II标中超前地质预报的应用为例，简要介绍各种超前预报方法的应用。

1 各地质超前预报方法原理

1.1 TSP 超前预报技术

TSP 超前预报是利用地震波在不均匀地质体中产生反射波的特性来对隧洞掌子面前方及周围区域的地质情况进行预报。该法可以检测出掌子面前方及周围区域内岩性的变化，如不规则岩体、不连续断面、断层及破碎带等[3]。秦岭隧洞黄三段Ⅱ标隧洞开挖方法为钻爆法，见图1。TSP 预报方法不必靠近掌子面。数据采集时在隧洞一侧边墙钻24 个直径为40 mm，深度1.5 m，垂直于隧道轴向，向下倾角为10°～20°的炮孔，炮孔与炮孔之间距离为1.5 m，离地面高1.0 m，而在两侧边墙钻2 个直径50 mm，垂直隧道轴向，上倾5°～10°的检波器孔，离地面高1.0 m，将检波器置入套管中，按顺序依次将炮孔中炸药卷引爆，从掌子面前方任一波阻抗不相同的界面反射的信号及直达波信号后被2 个检波器接收。然后利用TSPwin 软件处理可处理获得纵（P）波和横（S）波场的分布规律，以此得出掌子面前方及周围围岩情况及裂隙水发育程度，采用TSP 法对掌子面前方100 m 左右范围内较大的构造及围岩破碎带进行初步的预报。

图1 TSP 现场布置示意图

1.2 地质雷达法

地质雷达法是利用高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法，其工作原理是通过发射天线向正前方发射数十兆至数千兆赫兹的电磁波信号，在电磁波向前方传播的过程中，当有介电参数差异的目标体时，电磁波发生反射，由接收天线接收并记录，在对探地雷达数据处理和分析的基础上，根据雷达波形、电磁场强度以及振幅、频谱特征和双程走时等来推测掌子面前方的地质情况[4]。当接近断层时，地质雷达法对掌子面前方15 m 区域内的地质情况进行准确预报。

图2 探地雷达工作原理

1.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法，简称TEM，它的原理：在输送回线上提供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，磁场出现在回线法线方向，在一次磁场的激发下，地质体产生涡流，地质体的导电程度决定了它的大小，涡流在一次场消失以后，并不会马上消失，它将有一个过渡（衰减）的过程[5]。在此过程中，二次磁场出现在掌子面传播方向上，产生衰弱，二次磁场由接收回线接收，由二次磁场的变化可以体现地质体的电性分布情况。按不同延时时间测量二次感生电动势V（t）, 就能得到随时间的衰减的二次磁场特性曲线。若不存在良导体，通过观测将会有一个快速衰减的过渡过程；若存在良导体，切断电源瞬间，导体内部将出现涡流以保持一次场的断开，所观测到的过渡过程衰变速率将减缓，以此发现导体。

经过处理后的瞬变电磁资料，观察视电阻率剖面电性特征，并结合掌子面附近围岩的状况，来推测掌子面前方的地质情况。富水性的预报是隧洞超前的重难点，通过中等富水性洞段时，除地震反射波法和地质雷达外，再增加瞬变电磁法进行综合预报，瞬变电磁法预报的距离正常为50 m～80 m。

图3 良导体瞬变电磁感应原理图

2 工程应用实例

以秦岭隧洞黄三段II 标3 号支洞控制区主洞下游K11+120.0-K11+230.0 洞段的TSP 法、3 号支洞控制区主洞上游K10+199.7-K10+184.7 洞段的地质雷达法和3 号支洞控制区主洞下游K10+363.3-K10+413.3 瞬变电磁法为例，介绍综合超前地质预报方法在秦岭隧洞中的应用。

2.1 TSP 法

（1）测线布置

预报检测时的掌子面桩号为K11+120.0，在桩号为K11+054.7 处的左右两侧边墙风钻孔中安设预报接收检波器，接收孔距离掌子面65 m，在隧道一侧边墙的同一水平线上从里向外布设24 个炮孔，各个炮孔的间距为1.5 m，炮孔高度1.0 m，炮孔深度1.5 m；与接收孔的最近距离为19.3 m。

（2）测试结果初步分析

利用TSPwin 软件对原始数据进行处理得到深度偏移剖面和反射层提取图，见图4、图5。

图4 TSP 深度偏移剖面图

图5 TSP 反射层提取图

由图4、图5 可以看出桩号K11+136.5～K11+230.0 段反射能量较强，正负反射相间，推测岩体较破碎，完整性较差；K11+136.5～K11+146.4、K11+155.8～K11+167.2 段 反 射 能 量 较强，以负反射为主，推测发育裂隙水。

2.2 地质雷达法

（1）测线布置

预报检测时的掌子面桩号为K10+199.7，在掌子面上均匀布置四条测线，见图6。

图6 雷达测线布置图

（2）测试结果初步分析

通过对原始数据进行处理分析，得到4 条测线的剖面图，见图7、图8、图9、图10。

图7 1 测线剖面图

图8 2 测线剖面图

图9 测线剖面图

图10 测线剖面图

根据地质雷达法探测结果及地质资料，得出以下结论：

1）1 测线：局部有振幅较强的反射波，该段与目前掌子面情况相近。

2）2 测线：桩号K10+195.7～K10+193.0 范围内出现反射弧，且极性反转，推测围岩在此处有变化，桩号K10+190.7～K10+184.7 中部出现振幅较大的反射组，同向轴连续，推断该段片理裂隙发育。

3）3 测线：桩号K10+189.7～K10+185.2 中部出现振幅较大的反射组，同向轴连续，推测该段片理裂隙发育。

4）4 测线：局部有振幅较强的反射波，该段与目前掌子面情况相近。

2.3 瞬变电磁法

（1）测线布置

预报检测时掌子面桩号为K10+363.3，根据现场条件，布置顺层方向和斜向下45°方向扇形测线，见图11。

图11 扇形测线示意图

（2）测试结果初步分析

图12 顺层扇形测线

图13 斜向下45°扇形测线

通过对原始资料进行处理分析，得到扇形剖面成果图，见图12、图13。结合瞬变电磁法探测结果及地质资料综合分析，可以得出以下结论：

1）3 号洞下游水平顺层方向，掌子面前方偏左30°方位10 m～20 m 存在相抵低阻异常，掌子面前方偏右30°方位15 m～35 m 存在相对低阻异常，推断以上区域局部岩体弱含水或岩性变化。

2）3 号洞下游斜向下45°方向，掌子面前方偏左45°方位10 m～20 m 存在相对低阻异常，掌子面前方偏右30°方位15 m～35 m 存在相对低阻异常，推断以上区域局部岩体弱含水或岩性变化。

3 超前地质预报注意事项

（1）TSP 数据采集钻孔前，必须用测量仪器准确测定检波器孔和炮孔的具体位置，并用相应标示作标记，炮点由外至掌子面标记序号；按设计要求（间距、孔深、倾角等）钻设炮孔；若测定的位置无法钻孔，可在以测点为圆心，半径20 cm 的范围内重新钻孔；注意选择检波器孔位置时，不能选在破碎围岩中，检波器孔身必须要直，孔内岩粉和泥浆要用水冲出孔外；保护钻好的孔，成孔条件好的，孔内岩屑和泥浆要用水冲出孔外，以免药卷放置位置不合适，成孔条件差的，完钻后要将柱状物（锚杆等）留在孔内，防止围岩塌孔，48 h 内打完炮孔；必须停止周围300 m 范围内一切振动干扰；炮孔一侧应尽量避开避车洞等空洞。

（2）瞬变电磁法工作前必须清除掌子面附近及掌子面上的“铁”质干扰及各类电线（挪到距掌子面约30 m 以外）；地质雷达法工作时必须要清除掌子面铁质物质以防干扰；由于存在电磁感应，工作时严禁安放炸药；清空掌子面2.5 m 范围内的渣体或杂物。

4 结语

本文仅对秦岭隧洞黄三段所用的3 种地质预报方法进行了总结，每种方法都具有不同的特点，其中：（1）TSP 法预报距离长，对构造比较敏感；（2）地质雷达法预报距离较短，探测精度高，适用于在复杂洞段进行精细探测；（3）瞬变电磁法对低阻异常敏感，现场操作过程中方向性好。因此在实际施工过程中对预报方法的选取要结合实际围岩地质条件、地下水发育等情况来综合确定。